海洋浮標(biāo)風(fēng)光互補供電應(yīng)用

1、海洋浮標(biāo)風(fēng)光互補供電應(yīng)用(圖)目前大多數(shù)海洋浮標(biāo)平臺的供電是使用化學(xué)能或者更換蓄電池的方式，但這種方法存在供電時間短，供電補給時間長，補給困難和補給成本高等諸多問題。文章提出一種為海洋浮標(biāo)供電的風(fēng)光互補供電方案，對其典型應(yīng)用進行配置和設(shè)計，經(jīng)過海洋平臺上的應(yīng)用后得出，在解決防臺風(fēng)等問題基礎(chǔ)后，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是海洋浮標(biāo)供電的良好方案。0 引言    目前海上浮標(biāo)供電是通過海底電纜從附近的綜合平臺引電或者定期更換內(nèi)部蓄電池的方式進行的，并且部分觀測測量平臺、海上雷達(dá)站、島基水聲網(wǎng)絡(luò)中心站等的供電依然采用傳統(tǒng)的柴油機發(fā)電方式，存在噪音大、污染環(huán)境、油料補給困難、補給時

2、間長、補給成本高等諸多問題。    供電方案常常成為海上浮標(biāo)工作時間的制約因素之一，甚至因為供電容量限制了設(shè)備的用電。面對上述突出的問題，研究開發(fā)就地安裝、成本低廉、維護管理方便、資源節(jié)約、環(huán)境友好型的供電系統(tǒng)，是平臺開發(fā)的當(dāng)務(wù)之急。    本文通過依據(jù)一型浮標(biāo)負(fù)載耗電對風(fēng)光互補系統(tǒng)進行配置計算。探討這種自主式風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在海洋浮標(biāo)上的應(yīng)用可行性。1. 風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)    風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)是一套為外部提供電源供應(yīng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用風(fēng)力發(fā)電機組和太陽能電池方陣(將交流電轉(zhuǎn)化為直流電)，將發(fā)出的電能

3、通過控制器存儲到蓄電池組中，當(dāng)用戶需要用電時，控制器控制其輸出，也可通過逆變器逆變后供應(yīng)給交流負(fù)載。系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機組與太陽能電池板互補供電，夜間和陰雨天無陽光時由風(fēng)能發(fā)電，晴天由太陽能發(fā)電，在既有風(fēng)又有太陽的情況下兩者同時發(fā)揮作用，實現(xiàn)了全天候的發(fā)電功能，比單用風(fēng)力發(fā)電機組和太陽能更經(jīng)濟、科學(xué)。 1.1 供電系統(tǒng)的組成與工作原理    如圖1，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要包含小型風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池組件(含支架)、匯流箱、蓄電池組、風(fēng)光互補控制器，逆變器(交流負(fù)載)等。    風(fēng)光互補控制器控制風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池組件優(yōu)先給負(fù)

4、載供電，多余電量為蓄電池進行充電，并對風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速進行控制和進行電池管理。當(dāng)需要使用交流電時，則通過逆變器為負(fù)載供應(yīng)電源。    1.2 風(fēng)力發(fā)電機選型    考慮海洋環(huán)境復(fù)雜多變，臺風(fēng)頻繁，因此大型風(fēng)力發(fā)電機在平臺的安裝因為安全問題受到限制，一般盡量減少風(fēng)力發(fā)電機組的受風(fēng)面積從而讓浮標(biāo)平臺更加平衡和穩(wěn)定，也有通過多個小型風(fēng)力發(fā)電機組并聯(lián)后為系統(tǒng)供電。對于用電量不大的浮標(biāo)平臺，則可以使用300W 風(fēng)力發(fā)電機。本文所選的杭州瑞利科技的300W 風(fēng)力發(fā)電機組在平均風(fēng)速為8m/s 時日發(fā)電量可達(dá)7.2kWh，即使在6m/s 時發(fā)電量也

5、可達(dá)1.8kWh，而該風(fēng)速海上都比較常見，基本滿足常規(guī)用電需求。對于海洋上12m/s 以上的風(fēng)速，配套風(fēng)光互補控制器自動對風(fēng)力發(fā)電機組進行卸荷做降速控制，而在臺風(fēng)天氣控制器控制風(fēng)力發(fā)電機組執(zhí)行機械剎車讓之停轉(zhuǎn)來實現(xiàn)自身進行保護。    圖2 是本方案中選擇的FD-2.00.3/8.5 水平軸風(fēng)力發(fā)電機，其技術(shù)參數(shù)為：    切入風(fēng)速：2.2 2.5m/s;    額定風(fēng)速：8.5m/s;    安全風(fēng)速：60m/s;    額定轉(zhuǎn)速：500rpm

6、;    額定功率：300W;    風(fēng)輪半徑：2.0m;    額定電壓：DC28V;    風(fēng)葉材料：碳纖維;    保護方式：電磁制動/ 機械剎車。    1.3 太陽能電池組    考慮到海洋環(huán)境臺風(fēng)的影響，盡量減小太陽能板受風(fēng)面積，根據(jù)平臺空間的限制，可以選用柔性太陽能板如圖3 進行裁減。常規(guī)用法為平鋪安裝在平臺上，盡管降低了太陽能發(fā)電效率，但增強了系統(tǒng)的可靠性。平臺較大時，則

7、可選用防腐蝕支架安裝太陽能板。    1.4 供電系統(tǒng)的配置與設(shè)計    某大型海洋浮標(biāo)(圖4)負(fù)載包含，大型聲換能器、雷達(dá)反射天線，UHF、VHF 天線，衛(wèi)星通訊天線、航標(biāo)燈、聲學(xué)傳感器、水質(zhì)傳感器、中央電子處理系統(tǒng)以及螺旋槳動力裝置等。    浮標(biāo)平均功耗為135W，一天耗電3.24kWh。海洋氣候風(fēng)光互補尤其強烈，沒有太陽時則風(fēng)力較好，無風(fēng)則太陽較好，中間狀態(tài)既無風(fēng)也無太陽天氣較少，但考慮系統(tǒng)安全，無充電情況下按照系統(tǒng)可用電三天計算，某外海最低月平均風(fēng)速為6m/s， 根據(jù)所選型的FD-2.0-0.3

8、/8.5 的300   W 永磁風(fēng)力發(fā)電機組，發(fā)電平均功率為125W，因此要保證系統(tǒng)的用電量，推算得需要太陽能板的每天的發(fā)電量為：    3.24kWh-24h×125W=0.24kWh    查詢平臺安裝地日平均光照時長為3.5 小時，因此可以計算選擇太陽能板的功率為：    0.24kWh÷3.5=68Wp    考慮系統(tǒng)容量和平臺安裝角度，微系統(tǒng)留好多倍余量，盡量選取容量大于4×68Wp 的太陽能電池組件，系統(tǒng)選取400Wp 的板

9、子。    而對于蓄電池容量的配置計算。在連續(xù)3 天陰雨天的情況下，負(fù)載正常工作時所消耗的蓄電池電量為(實際負(fù)載功率× 負(fù)載加載時間×連續(xù)天數(shù))= 9.72kWh。    設(shè)置系統(tǒng)采用24V 蓄電池組，不考慮逆變器效率，在70% 安全放電深度條件下，蓄電池的安時數(shù)為(蓄電池耗電量/ 放電深度/24V)=578AH。    因此，確定系統(tǒng)選用600AH/24V蓄電池組(200AH/12V 六塊/ 三并兩串)能滿足要求。2. 發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)    

10、風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)從節(jié)能減排角度為社會節(jié)約了大量的資源，在沿海地區(qū)現(xiàn)已經(jīng)在大規(guī)模推廣使用，但在使用當(dāng)中也發(fā)現(xiàn)許多問題，其中有風(fēng)力發(fā)電機組產(chǎn)品質(zhì)量差、也有人為系統(tǒng)配置不合理之處，更有對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境認(rèn)識不足，主要有以下關(guān)鍵點。    2.1 防臺風(fēng)技術(shù)    在海洋平臺自然環(huán)境條件更惡劣。一般海島遠(yuǎn)離大陸， 屬海洋性氣候， 季風(fēng)特征明顯。夏秋兩季易受臺風(fēng)影響。分析氣象資料，中心經(jīng)過我國沿海的熱帶氣旋，風(fēng)力一般在10 15 級， 最大可達(dá)17 級， 最大風(fēng)速70 m / s，一次影響過程可達(dá)6 天。臺風(fēng)風(fēng)力狂虐， 裹挾暴雨， 常掀

11、起巨浪，對平臺風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)是嚴(yán)峻考驗，絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)葉則被吹斷，并且發(fā)生過速燒毀電機情況。因此海洋平臺用風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)具有防臺風(fēng)功能， 系統(tǒng)在檢測到風(fēng)力發(fā)電機組過速后應(yīng)自行進行降速執(zhí)行機械剎車，減少迎風(fēng)面積，同時采用碳纖維風(fēng)葉， 增強風(fēng)葉強度以便抵抗強臺風(fēng)。    2.2 全面防腐蝕設(shè)計     我國大部分海域地處高溫、高濕、高鹽霧地區(qū)，年平均相對濕度 85 %， 遠(yuǎn)超過金屬腐蝕臨界濕度70%RH?？諝恹}霧含量在0.3323.6mg/m3之間，是內(nèi)陸地區(qū)的數(shù)百倍。常規(guī)的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，在天然的“腐蝕試驗箱”

12、環(huán)境中，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重腐蝕而提前失效、損壞， 影響其使用壽命和功能發(fā)揮。系統(tǒng)設(shè)備在生產(chǎn)、安裝全過程應(yīng)注重防腐設(shè)計，包括電子器件防腐、金屬材質(zhì)防腐、電纜橡膠層的老化防護等;風(fēng)力發(fā)電機機艙徹底密閉，防止高鹽潮濕空氣進入;對其它必須暴露于空氣中的電子、電氣部件和接頭，要采用防腐保護劑進行浸泡或噴涂處理;電纜要穿UPVC 或鍍鋅鋼管保護，防止鹽霧腐蝕和輻射老化;金屬材質(zhì)必須進行多層油漆涂裝防護。    2.3 合理電池配置    在對系統(tǒng)進行設(shè)計時候，需要考慮到電池的容量問題，一般情況蓄電池放電深度不超過70%，且需要考慮連續(xù)陰雨無風(fēng)天氣影響，為系統(tǒng)留有余量，當(dāng)系統(tǒng)儲能低于25 %正常容量時，應(yīng)有報警提醒功能;低于10 % 時， 應(yīng)自動卸載非重要負(fù)荷，以確保通信等與外界聯(lián)絡(luò)設(shè)備的用電。3.其他海洋應(yīng)用    風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)除了應(yīng)用在小型海洋浮標(biāo)之外，海洋養(yǎng)殖、捕撈漁船供電(圖5)、在大型浮標(biāo)上， 海洋氣象觀測、海洋雷達(dá)觀測站、海洋水聲處理中心、衛(wèi)星通訊中繼、無人島監(jiān)控等等都有著廣泛的用途。4. 結(jié)論&